動車組安全與運維集成平臺方案技術研究*

延九磊，張瑞芳，申宇燕，盧萬平，劉 峰

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

目前國內外動車組安全監測產品正朝著平臺化、智能化、大數據、信息融合的方向發展，德國克諾爾公司推出了面向遠程監視和故障預警的解決方案ICOM 數字平臺，對動車組進行遠程監視、檢修、司機提示、防撞、限速等；西門子公司致力于發展機車車輛與基礎設施預測性維護服務，提出了數字化車站、信號系統上云等方案［1-3］。

動車組現有的安全監測設備信息眾多，如失穩平穩監測、軸箱振動監測、安全監測系統等多個系列的安全監測產品，我國最新研制的CR400 系列復興號動車組裝用了多種動車組運行安全監測設備，具體包括動車組軸溫監測裝置、火警系統、受電弓監測、車廂視頻監測、軸箱振動、轉向架失穩、車體平穩等［4-7］。

在前期已有動車組安全設備的基礎上，基于標準化、平臺化、模塊化和可重用的模式，針對我國動車組運用安全監控的現狀與需要，研制了動車組安全與運維集成平臺，實現對動車組運用狀態的聯動分析和平臺性評估，從而指導動車組地面維修。

1 系統構成

1.1 系統架構

動車組安全監控系統分為車載安全監控系統、車地數據傳輸系統和地面運維支持系統3 個部分，其架構如圖1 所示。

圖1 動車組安全監測系統總體架構

車載安全監控系統采用平臺化和模塊化設計，以車載安全監控系統的中央處理平臺為核心集成多個監控子系統，并預留通信接口，可接入動車組既有安全監測設備，同時從動車組列車控制與監測網絡系統（TCMS）獲取動車組牽引、制動、時間、速度、公里標等工況信息，實時監測診斷軸承、齒輪箱、牽引電機的溫度及振動，列車脫軌、構架失穩和車體平穩性等部件和安全因素的狀態，綜合診斷動車組突發信息、演變信息和大容量信息，對列車運行過程中出現的異常情況進行實時監控，監測值超出正常控制指標實行診斷和報警，并通過TCMS 通知動車組采取降速或停車等故障導向安全措施，保障動車組安全運行。

車地數據傳輸系統有2 路數據傳輸通道，一路將動車組安全監控報警和監測特征數據由列車級主機統一實時傳輸至WTD 后，由WTD 通過4G 方式無線發送到地面；另一路在列車到站后通過USB 方式將全部過程運用數據導入地面運維支持系統進行深入分析。

地面運維支持系統可完成對動車組安全監測平臺運行全過程數據的下載、轉儲和分析，并進行多系統關聯數據挖掘分析，從多角度、多維度、全方位展示關鍵部件的運行數據與曲線，對車輛運行狀態及報警進行科學有效的定量分析。

1.2 網絡拓撲

車載安全監控系統主機通過MVB 總線接收時間、速度、公里標、經緯度、型號、列號、車號等公共信息以及牽引、制動、絕緣、火災、空簧、軸溫等監控系統信息。車載安全監控系統通過MVB 網絡，將實時報警數據傳輸至中央控制單元（CCU）實現控車，實時報警數據流如圖2 所示。

圖2 MVB 通信實時報警數據流

車載安全監控系統通過ETH 網絡，將特征數據匯總至列車級主機，列車級主機通過ETH 網絡將數據發送至WTD 實現數據落地，數據流如圖3所示。

圖3 以太網通信數據流

1.3 三級診斷

（1）車輛級診斷

車輛級診斷通過車輛級安全監測網獲取數據，對本車廂的部件或功能進行狀態實時監測，如軸承超溫、軸承振動異常、轉向架失穩等，并將監測數據和診斷結果通過安全監測網傳送給列車級主機，作為列車級診斷的依據。

（2）列車級診斷

列車級主機配備大容量固態存儲器，可存儲全列的過程數據、事件信息和故障信息，在列車級對全列數據進行綜合分析和對比，從而形成對故障的進一步診斷。

（3）地面級診斷

通過建立地面運維支持系統，以數據為驅動，實現維修、監測、診斷一體化，對動車組的運營狀態進行評估，分析故障演變，建立故障診斷模型并進行故障定位和故障預測，指導動車組地面維修，與車載安全監控系統的車輛級診斷和列車級診斷一起構成車輛級、列車級、地面級的三級診斷系統。

2 系統詳細設計

2.1 車載安全監控系統

車載安全監控系統由車輛級主機、安全監測網和列車級主機構成，如圖4 所示。

圖4 動車組車載安全監控系統組成

普通車每車安裝1 臺車輛級主機，各安全監測設備通過通信接口接入車輛級主機。監控車除安裝車輛級主機外，還安裝1 臺列車級主機和1 臺列車級顯示屏。全列監測信息和報警通過列車級顯示屏進行顯示。

每列車配置1 臺列車級主機，可接收全列各車輛級主機監測數據，進行綜合診斷。每列車配置1個列車級顯示屏，用于顯示故障代碼及信息，指導司機進行確認及相關操作。

車載安全監控系統以中央處理平臺為核心對各子系統進行數據集中、數據管理、綜合分析。各子系統遵照統一的通信協議，及其定義的幀格式和數據編碼，與車載安全監控平臺通信。

車載安全監控平臺具備統一供電、統一傳輸、集中存儲、綜合診斷、統一顯示和報警等功能，具有以下監測功能：

（1）構架失穩監控

實時采集構架橫向、垂向振動加速度，融合TCMS 運行數據，實時監控轉向架穩定性狀態。

（2）車體平穩監測

實時采集車體橫向、垂向、縱向振動加速度，融合TCMS 運行數據，實時監測車體平穩性狀態。

（3）列車脫軌檢測

結合動車組輪軌力測量數據等先驗知識，建立將軸箱振動加速度信號和輪軌力之間的統計概率模型，計算脫軌系數等安全指標，經全列綜合診斷對比后，實時識別動車組脫軌狀態，保障動車組運行安全。

（4）軌道狀態識別

將軸箱、構架、車體振動加速度信號結合列車運行時間和位置信息，進行時空配準，運用大數據存儲和分析的方法，在列車級進行全列橫向對比和歷史縱向對比，實時識別軌道狀態。

近年來的學校國防教育工作，使學校領導深刻地認識到，國防教育不僅是實施素質教育的有效手段，更是培育21世紀鋼鐵長城捍衛者的主要渠道。同時也是學校教育改革發展的需要。

（5）懸掛系統振動性能監測

采集軸箱、構架、車體振動加速度信號，依據懸掛系統振動的傳遞關系，以及運行過程中全列振動加速度信號的時序和相位關系，結合地面維修信息，進行大數據分析，綜合評估動車組輪對、鋼簧、空簧、減振器等懸掛部件狀態。

（6）旋轉部件溫度振動監測

在軸承溫度監測的基礎上，結合軸箱、齒輪箱、牽引電機等部位的振動沖擊，結合車軸及電機轉速，綜合診斷走行部旋轉部件自身的故障狀態，及時發現軸承、齒輪、踏面等旋轉部件的早期故障，進行預警和報警提示，防止走行部踏面擦傷、燃軸、切軸等事故發生。

（7）火災視頻聯動

當接收到火災報警數據時，列車級顯示屏實時點播火災發生區域的視頻并可對相應報警區域的視頻圖像進行截圖，通過以太網發送給安全監控平臺存儲。

2.2 車地數據傳輸系統

車地數據傳輸系統由列車網、車載數據傳輸模塊、地面數據接收模塊等組成，在列車上線運行時能夠實時傳輸列車運行狀態數據、故障報警情況等信息。在列車進段時，能夠傳輸車載安全監控平臺記錄的過程數據。

2.3 地面運維支持系統

地面運維支持系統由數據存儲服務器、WEB服務器、配套數據庫及專家系統、用戶終端組成。系統采用大數據存儲架構，以數據為驅動，實現維修、監測、診斷一體化，對動車組的運營狀態進行評估，分析故障演變，建立故障診斷模型并進行故障定位和故障預測，指導動車組地面維修，與車載安全監控系統一起構成車輛級、列車級、地面級的三級診斷系統。

系統采用基于Hadoop 的分布式存儲架構，如圖5 所示。采用分布式聯機計算模型Map/Reduce，利用集群進行高速運算和存儲，海量數據臨時存于內存數據庫，通過批量方式寫入磁盤數據庫集群，完成數據高并發存儲。高并發實時查詢分析數據以及分析結果數據優先從內存數據庫中高效訪問。

圖5 大數據存儲架構

（2）地面專家系統

地面專家系統對動車組車輛運行過程中的全過程數據進行下載后，轉儲至大數據存儲結構中，通過多系統關聯分析和深入的數據挖掘，從多角度、多維度、全方位展示關鍵部件的運行數據與曲線，完成對車輛運行狀態及報警進行科學有效的定量分析。地面專家系統主要界面如圖6、圖7 所示，主要功能有以下3 方面：

圖6 地面專家系統主界面

圖7 地面專家系統統計對比界面

①解析并存儲高速鐵路車載安全監控系統平臺采集的旋轉部件、軸箱以及失穩平穩裝置等關鍵部件的原始數據、特征數據、故障和報警信息，同時支持針對數據庫的查詢和刪除等操作。

②對解析后的運用數據和報警信息進行二次診斷和深度融合分析，提供不同線路條件、不同速度等級、不同動車組型號等多個維度下的統計特征，如全程統計直方圖/速度統計直方圖/速度統計散點圖/速度統計折線圖等特色曲線圖及其相關的對比圖，并將診斷結果和統計結果寫入數據庫。

③對整體運用情況、數據曲線、報警信息、診斷結果和統計結果進行網頁可視化，支持對高速鐵路運用數據和報警故障曲線的查詢回放、事件分析、統計分析以及用戶管理。

3 結束語

動車組安全與運維集成平臺以平臺化和模塊化的設計將多個監控子系統集成到車載安全監控系統，并預留通信接口獲取動車組牽引、制動、時間、速度、公里標等工況信息，從而診斷列車脫軌、構架失穩和車體平穩性、火災等狀態。同時將運用數據轉儲至地面運維支持中心，實現對動車組運營狀態的評估、故障定位和故障預測，指導動車組地面維修，保障動車組安全運行。